光伏灌注樁基礎核算

浙江正泰新能源開發有限公司■林建寶沈道軍羅易

光伏灌注樁基礎核算

浙江正泰新能源開發有限公司■林建寶*沈道軍羅易

山地光伏電站的質量主要取決于基礎與支架的牢固性與穩定性，本文以具體項目為例，詳細介紹了微孔灌注樁基礎的計算。

山地光伏基礎的設計；微孔灌注樁；光伏支架基礎設計

0　引言

隨著人類環保意識的提高，國家大力貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念。對于光伏來說，綠色是光伏企業的新動力和新的增長點。然而，隨著近年光伏的大力發展，好的土地利用越來越少，山地光伏成為未來光伏方向的突破口。山地光伏其質量好壞主要取決于基礎與支架的牢固性和穩定性，根據山地的土壤層狀況不同，基礎樁基主要形式有微孔灌注樁基礎、鋼管灌注樁基礎。本文通過實例詳細介紹微孔灌注樁基礎的計算。

1　項目概況

1.1項目背景

本項目位于河北省張家口市某區山地，山地海拔高差200 m。山地光伏場地大部分區域屬于基巖區表面，有很多碎石和雜草，雜草高度不超過400 mm，碎石深度在0.3～1 m，強風化層約3 m，基巖層有很高的強度與抗變形能力。根據地勘報告建議，比較適合混凝土的微孔灌注樁。

1.2項目技術參數

光伏支架形式采用單立柱形式，組件采用1652 mm×994 mm×40 mm，單塊組件重量為0.12 kN/m2。該區的基本風壓為W=0.55 kN/m2，活載為0.3kN/m2，體型系數為μs=1.3，高度變化修正系數為η=1.5。根據地形勘察報告，基巖第一層碎石側阻力標準值為100 kPa，地基承載力特征值為180 kPa；基巖第二層砂巖礫巖側阻力標準值為130 kPa，地基承載力特征值為400 kPa；該地區凍土層為1.4 m。樁基直徑暫定200 mm，埋深1.4 m，樁基以上部分為0.4 m，采用C30混凝土澆筑。

2　樁基計算

按照樁基技術規范，樁基礎的可行性必須滿足抗拔承載力要求、水平承載力及位移要求、樁基豎向承載力要求。

2.1支架風荷載計算

根據《建筑結構荷載規范》，主要受力結構計算式為［1］：

風荷載標準值：

式中，μz為高度變化系數。

WK組件恒載=0.12 kN/m2

WK支架恒載=0.05 kN/m2

支架上拔力主要是承受風荷載作用，光伏組件總長為3.324 m，支架跨度為3.1 m，則根據《光伏發電站設計規范》［2］可得：

圖1　基礎截面圖(單位：mm)

圖2　單陣列排布圖(單位：mm)

2.2抗拔樁基承載力驗算

根據樁基相關規范，承受拔力的樁基應滿足下列公式要求：

式中，NK1為荷載效應標準組合計算的基樁上拔力；GP為基樁自重；Tuk為群樁呈整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值。

式中，qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值(第1層為100 kPa，第2層為130 kPa)；ui為樁身周長；Li為樁身長度；λi為抗拔系數。

樁直徑d=0.20 m；樁身進入地面1.4 m，其中，第1層為碎石層，L1=1.0 m，第2層為基巖層，L2=0.4 m。樁身混凝土采用C30［3］。

表1　抗拔系數λi

由式(2)知，NK1=7.5 kN，＆lt;25.273 kN，滿足式(5)的需求，則φ200的灌注樁埋深1.4 m時，抗拔力滿足設計要求。

2.3樁基水平承載力與位移計算

根據樁基設計規范，受水平荷載較小的單樁基礎和群樁中基礎應滿足式(7)要求：

式中，Hik為在荷載效應標準組合下，作用于基樁i樁頂處的水平力；Rh為單樁基礎或群樁中基礎的水平承載力特征值。

依據《建筑樁基技術規范》［4］，當樁的水平承載力由水平位移控制且缺少單樁水平靜載試驗時，應滿足下列計算：

其中，Rha為單樁水平承載力特征值；α為樁的水平位移系數；xoa為樁頂允許水平位移(水平位移為0.01 m)；Vx為樁頂水平位移系數；EI為樁身抗彎剛度，可由式(9)得出。

其中，EC為混凝土彈性模量，為3.0×104N/mm2；Io為φ200灌注樁的截面慣性矩，可由式(10)得出。

式中，do為扣除保護層厚度的樁直徑；Wo為截面模量，可用式(11)得出：

式中，ρ為樁身配筋率(樁身配筋率需≥0.65％)；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，E鋼筋=2×105N/mm2，則：

如圖3所示，混凝土直徑為200 mm；縱筋為直徑16 mm，共4根；箍筋直徑為8 mm，間距為100 mm。

圖3　灌注樁截面圖

滿足設計要求。

所以，根據式(11)得：

根據式(10)計算出φ200灌注樁的慣性矩：

根據式(9)計算樁身抗彎剛度：

Vx樁頂水平位移系數主要受樁的水平位移系數影響：

式中，m為樁側土水平抗力系數的比例系數，根據規范《建筑樁基技術規范》表5.7.5地基土水平抗力系數的比例系數［4］，m取29.5；b0為樁身的計算寬度，m，當圓形樁直徑d≤1 m時，

根據規范《建筑樁基技術規范》中表5.7.2［4］，樁頂最大彎矩系數Vm和樁頂水平位移系數Vx如表2所示。

表2　樁頂最大彎矩系數Vm和樁頂水平位移系數Vx

αh=1.71×1.4=2.4，根據線性插值法計算得到Vx=3.525。根據公式(8)：

根據式(3)，支架的水平荷載為6.8 kN，遠小于單個樁基的水平承載力。φ200 mm灌注樁水平力滿足設計要求。

2.4樁基豎向承載力計算

根據軸心荷載效應標注組合作用下NK2≤Ra：

其中，Ra為單樁豎向承載力特征值；Quk為單樁豎向極限承載力；K為安全系數，取2。

式中，qpk為樁側極限端阻力標準值(第1層為180 kPa，第2層400 kPa)；li為土壤層深度(第1層為1 m，第2層為0.4 m)；ui為樁身周長，

ui=0.2×3.14=0.628 m；Ap為樁端面積，Ap= 3.14×0.12=0.0314 m2；ψsi、ψp分別為樁側阻力、端阻力，其尺寸效應系數如表3所示。

表3　樁側阻力、端阻力尺寸效應系數

由于我們土壤層均為碎石與基巖強化風化石，則：

樁基豎向承載力滿足設計要求。

3　結論

通過以上計算，φ200 mm灌注樁既能滿足抗拔要求，也能滿足水平承載力要求及豎向承載力要求，且余量充足，按道理可以優化截面；但是考慮到山區的海拔高差相差200 m，局部處在風口的瞬時風壓遠遠大于設計風壓，且考慮到山體的施工難度，現場的施工質量無法滿足設計要求。所以，從安全角度考慮，最終還是選擇φ200 mm的灌注樁滿足該項目地的設計要求。

[1]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[2]GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

[3]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[4]JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

2016-03-23

林建寶(1984—)，男，本科、中級工程師，主要從事光伏系統支架設計方面的研究。jianbao.lin@astronergy.com